大型庭院采光顶结构设计

2021-01-05吴社

中国建筑金属结构 2020年12期

吴社

1.工程概况

北京月坛松鹤楼为典型的北京四合院建筑，有坡屋面、二层框架结构带地下室，为早期建筑。受业主委托对其内外装进行全部改造，按装饰效果方案的要求对其东、西两个露天庭院内新增除主采光顶外，还在其周围做高低不同的采光顶。同时，在采光顶结构上附属增加其他结构和采光顶融为一体，其附属结构有新增楼层、楼层走廊、扩建楼梯及楼梯间、玻璃幕墙等装饰、结构设计。所有新建部分的顶面均为玻璃采光顶，由玻璃幕墙和采光顶形成闭合空间，尤其是东庭院中间升起的主采光顶和周围的带采光顶的附属结构和玻璃幕墙等融为一起，建筑装饰效果美观大气，但其结构构造也是相当复杂。不能过多地将新增加的结构荷载加在老建筑上，因此，将采光顶的主结构的地梁、柱、顶梁等和附属工程设计在一起，使得建筑平面尺度大、建筑造型新奇、建筑构造复杂，收边收口和转角多。东庭院新建部分依次为，在中间部位设四根立柱，呈四边形分部在角上，就像方亭的四个立柱，柱子升到顶面后周边设二层钢圈梁，中间设交叉钢梁，在交叉点设东西向“V”字梁，在“V”字梁上口设扁担主梁，然后垂直此梁在南北方向布置檩条，形成一个人字形屋面，在其上安放玻璃，构成一个12.2mX12.4m的双坡主采光顶。在东庭院南侧增加一层连廊和凹进去的回廊，在顶部与二层楼面平齐，做玻璃采光顶，但连廊的外边柱穿过楼层与主采光顶连梁相接，并在这两个错层的采光顶之间的立柱外侧做玻璃幕墙。在东庭院的东侧做楼梯及楼梯间，楼梯间与南连廊内部连通，楼梯间顶面高度至二层屋面檐口底，顶面为玻璃采光顶，内部设计宽敞的楼梯及休息平台，其外侧做玻璃幕墙到顶，与中庭主采光顶侧面相连。在东庭院的北侧做二层连廊及凹进的回廊，与内部楼梯间连通，顶面高度至二层屋面檐口底，顶面为玻璃采光顶，连廊外侧为玻璃幕墙，通至中庭主采光顶边部收口[1]。西庭院新建部分除中间没有主采光顶，东侧没有楼梯及楼梯间外，其余基本和东庭院相同。

2.设计的重点和难点

本工程涉及的专业知识具有一定的广泛性和综合性，有装饰、玻璃采光顶、玻璃幕墙、钢结构、混凝土结构和后锚固方面的知识，知识体系庞杂，设计时要各个方面兼顾周全，知之甚深才能很好地进行设计，否则极有可能造成质量和安全隐患，给人民的生命和财产安全带来不可估量的损失，设计责任重大。设计的重点和难点分列如下。

竖向构件的生根问题是主要难点之一，本工程是加扩建工程，空间尺寸大，而周围原结构构件经验算其富余量较小，难以承受较大的二次结构荷载，并且根据造型要求，势必要再新做一些竖向受力构件，从而进行传递荷载，解决好这些问题，才能确定结构体系。因此，需对中庭地面及地上结构进行分析、验算，经过计算，地面埋土1m下的地下室顶面板，有一定的承载力，但梁柱的分部不规律，新增竖向受力构件的分布多在板面位置，应增设梁跨过板面，然后让新增竖向受力构件作用在地下室顶面的新设梁上。其余小的竖向受力构件可以连接在地下室顶板或原结构的梁柱上。

3.设计思路

（1）配合装饰的效果设计，完成新增采光顶、新增幕墙、新增楼层、扩建楼梯及楼梯间、钢结构等结构选型的设计工作，达到设计效果要求的同时，使结构受力合理，结构安全可靠。

（2）对原建筑设计、结构设计图纸和装饰的效果设计图纸认真研究，理解设计意图，把握其设计思想，并对其中存在的问题提出针对性的方案。本工程为改造工程，尤其要对原结构的板、梁、柱应重新进行结构分析，明确其受力方式、配筋情况，并进行计算，同时和原建筑结构设计单位进行沟通，以确定其设计安全富余量，以便确定新增结构的结构布置形式[2]。

（3）东庭院一层连廊、二层连廊和采光顶，以南侧、北侧连廊边钢柱和庭院中间四个钢柱作为整个结构的竖向受力构件，分别在楼层和南侧、北侧连廊边刚柱间布置钢梁、在四个钢柱顶布置钢梁，组成空间钢结构框架体系，承受所有的荷载。

（4）西庭院一层连廊，连廊的外侧为玻璃幕墙，由于幕墙受温度变化的影响比较明显，同时也由于玻璃自身与钢结构材料相比在强度、刚度等方面差异较大，幕墙设计为吊挂在主采光顶钢梁上的受力体系。

连廊顶新增彩釉玻璃顶虽然较轻，悬挑结构也能满足要求，但结构受力复杂，采用梁柱刚架的结构形式，结构受力简单、传力路经明确，符合结构设计的宗旨。

在原地下室顶面砼梁上布置钢柱，在-0.100标高处，在柱间水平连接钢梁，作为上部结构，上部钢柱高度至一层楼面，柱与一层楼面梁用钢梁连接，形成“Γ”型钢架，在钢架之间用横梁连接。

（5）西庭院二层连廊，连廊的外侧为玻璃幕墙，同样采取吊挂在主采光顶钢梁上的受力体系。

新增二层楼面的外挑最大尺寸达到3800mm，如果采用悬挑的结构形式，就改变了原设计的钢筋砼梁的受力形式，新增楼面的荷载也不能达到新的功能所要求的大小。而如果在楼层外侧设钢结构柱，采用梁柱刚架的结构形式，则完全能满足要求。

二层新增屋面虽然较轻，悬挑结构也能满足要求，但结构受力复杂，采用梁柱刚架的结构形式。钢结构刚架的形式为“F”型，在钢架之间用横梁连接。

（6）楼梯及楼梯间，由于使用功能的改变，原来宽3.2m的双跑楼梯现在改为8m宽，不仅原三面围护结构拆除，原来支撑楼梯和楼梯间屋面的唯一一个柱子也拆除，因此，楼梯及楼梯间需全部重新设计。

在楼梯间的最外侧两个角上设钢柱，钢柱直接做在在楼梯间的最外侧两个角的地面上，然后，分别将各自的钢梁布置在休息平台、一层楼面、二层楼面标高位置，各梁的标高相同，并和钢柱、楼层原砼梁相连，顶层梁间架设采光顶次龙骨，形成空间钢结构桁架[3]。

新楼梯设计为梁式楼梯，第一梯段斜梁的两端分别搁置在一层楼面和新增休息平台钢梁上，第二梯段斜梁的两端分别连接在二层楼面的原砼梁和新增休息平台钢梁上，踏步板采用5mm厚钢板，在踏板面铺35mm厚C15混凝土，内配φ6mm的钢筋，以防止混凝土开裂，也便于铺砂浆贴面砖。

休息平台宽度为2525mm，其长度为8000mm，休息平台一侧连在楼梯间主钢结构梁上，另一侧下设小钢柱。休息平台顶面同踏板。

4.采光顶及维护幕墙结构设计

4.1 采光顶屋面

屋面玻璃为Low-E中空钢化夹胶彩釉玻璃，钢龙骨，铝合金副框，隐框结构。

4.2 玻璃幕墙

玻璃幕墙用Low-E中空钢化玻璃；幕墙铝包钢，铝合金外盖板；明框结构。

5.采光顶钢结构设计

5.1 东庭院主钢结构

结构布置：在原地下室顶面砼梁上布置钢柱，在-0.100标高处，在柱间水平连接钢梁，作为上部结构的基础，上部以南侧、北侧连廊边钢柱和庭院中间四个刚柱作为整个结构的竖向受力构件，分别在楼层和南侧、北侧连廊边刚柱间布置钢梁、在四个钢柱顶布置钢梁，组成空间钢结构框架体系，承受所有的荷载[4]。采光顶荷载：楼面恒载2KN/m2；吊顶恒载0.5KN/m2；楼面活载2.5KN/m2。采光顶玻璃自重0.61KN/m2；幕墙玻璃自重0.31KN/m2；采光顶玻璃表面雪荷载按高低跨考虑，不均匀分布系数为2，设计值为0.9KN/m2；采光顶玻璃表面坡度较平考虑为负风压，对结构有利，荷载组合时不予考虑。